CN102676138A

CN102676138A - 岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆及其制备方法

Info

Publication number: CN102676138A
Application number: CN2012101803287A
Authority: CN
Inventors: 代国忠; 李文虎; 刘卫星; 钱红萍; 蒋晓曙; 史贵才; 张亚兴
Original assignee: Changzhou Institute of Technology
Current assignee: Jiangsu Academy of building Limited by Share Ltd
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-06-04
Also published as: CN102676138B

Abstract

本发明公开了一种岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆及其制备方法，泥浆由膨润土、纯碱、增粘聚渣剂、交联剂以及水组成。泥浆的制备方法是先将碱化后的膨润土浆加入水中进行搅拌至均匀后，然后向浆液中加入增粘聚渣剂溶液，搅拌至均匀状态，最后加入交联剂溶液及剩余水量，搅拌至均匀状态。本发明泥浆的固相含量低，泥浆比重轻，孔内循环时携带钻屑能力及在地面静止时聚沉钻屑能力都非常强；对松散砂及风化破碎岩层具有较强的胶结护壁作用，有助于提高此类复杂地层孔壁的稳定性。本发明的交联型低固相泥浆无毒环保，经济成本低，便于施工现场配制和使用，并且可回收重复使用。

Description

岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种岩土钻孔工程用泥浆，具体涉及一种岩土钻孔工程或钻挖槽工程中用于护壁的交联型低固相泥浆及其制备方法。

背景技术

近年来，随着科技进步和经济发展，岩土钻孔工程在国民经济和社会发展中发挥着越来越大的作用，已广泛应用于矿产资源勘探和部分矿产的开采、水文地质勘探、工程地质和环境地质勘察、地质灾害的防治与环境治理、工民建和道路桥梁的基础工程、科学钻探等领域。在诸领域的钻孔（或钻挖槽）工程施工中，经常遇到风化、松散、破碎、节理裂隙发育、矿层蚀变带、遇水膨胀（水敏性）等复杂地层，该类岩土层孔壁极不稳定，容易发生坍塌、漏失、掉块、卡钻、埋钻、井斜、取心困难等钻孔事故。为了保证复杂地层孔壁的稳定性，实践中使用固壁性能好的泥浆（亦称之为冲洗液，或钻井液）来确保复杂地层孔壁稳定性、提高钻孔工程质量、提高钻进效率和降低生产成本。

自有回转钻孔法以来，岩土钻孔工程泥浆经历了五个发展阶段：①清水和自然造浆阶段，该阶段的钻孔工程泥浆为第一代冲洗液，其中无任何处理剂；②细分散泥浆阶段，该阶段的泥浆为第二代冲洗液，其中固相含量高，粘土高度分散；③粗分散泥浆阶段，该阶段的泥浆为第三代冲洗液，其中固相含量适中，粘土适度分散；④不分散低固相泥浆阶段，所述泥浆为第四代冲洗液，其中固相含量低，粘土不分散；⑤聚合物型无固相冲洗液阶段，该阶段的泥浆为第五代冲洗液，其中不含粘土固相。

上述第四代冲洗液即不分散低固相泥浆中的“低固相”是指泥浆体系中的固相含量（造浆粘土和钻碴等所有固相）按体积计不超过4%，由此使得机械钻速提高，尤其是在硬岩钻进中效果更为明显；而所谓不分散有3层含义：一是高聚物存在抑制了造浆粘土颗粒的分散而使其颗粒直径保持较大不分散；二是对进入泥浆体系的岩屑起絮凝作用，不使其分散，利于除碴净化泥浆；三是对井壁不起分散作用而起抑制保护作用。目前，这种泥浆已成为我国钻井部门使用的主要泥浆类型。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本且岩土钻孔工程或钻挖槽工程中护壁性能较好的交联型低固相泥浆及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案是一种岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆，包括下述重量份的组分：膨润土15～40份、纯碱2～5份、增粘聚渣剂0.8～1.6份、交联剂0.1～0.4份、水950～985份。

上述增粘聚渣剂为水解聚丙烯酰胺，水解聚丙烯酰胺的分子量为500万～1200万，水解度为25%～35%。

上述交联剂为硫酸铝或氯化铝。

一种如上所述的岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆的制备方法，包括如下步骤：

①将纯碱总量的60%～70%完全溶解于水中，然后将膨润土加入纯碱溶液中，搅拌使膨润土分散均匀得到浆液后，静置浸泡12h～24h完成膨润土的预浸泡碱化处理后待用，其中所述浆液中膨润土的浓度为15wt%～40wt%。

②将增粘聚渣剂与余量的纯碱干粉混匀后，边搅拌边加入水中，加毕搅拌15～30min后，静置5～8小时预溶解后待用，所得溶液中增粘聚渣剂的浓度为0.5 wt%～5wt%。

③将交联剂溶解于水中待用，所述交联剂的浓度为1wt%～10wt%。

④将步骤①得到的碱化后的膨润土浆倒入装有余量水的容器中，搅拌均匀后，向容器中加入步骤②配置的增粘聚渣剂和纯碱混合溶液，再次搅拌均匀后，加入步骤③准备的交联剂溶液，搅拌均匀后即得到岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆。

上述步骤②中的增粘聚渣剂为水解聚丙烯酰胺，水解聚丙烯酰胺的分子量为500万～1200万，水解度为25%～35%。

上述步骤③中的交联剂为硫酸铝或氯化铝。

上述步骤②中将增粘聚渣剂与余量的纯碱干粉混匀后，若要加快水解聚丙烯酰胺在水中的溶解速度，混合粉末边搅拌边加入40℃～60℃的热水中。

本发明具有积极的效果：

（1）本发明的交联型低固相泥浆不仅兼顾了第四代和第五代冲洗液的优异性能，同时与目前已有的第四代冲洗液即不分散低固相泥浆相比，本发明泥浆的固相（指膨润土及钻屑）含量低，泥浆比重轻（密度≤1.10g/cm³），孔内循环时携带钻屑能力及在地面静止时聚沉钻屑能力都非常强；与目前已有的第五代冲洗液即聚合物型无固相冲洗液相比，本发明的泥浆中只包含一种高分子聚合物，且用量较少，成本低，按目前处理剂市场价格计算，配制本发明的1m³泥浆成本为20～40元，而配制1m³聚合物型无固相冲洗液成本在80元以上。

（2）本发明的交联型低固相泥浆的粘度、API失水量、静切力、流变性、吸附胶结性等性能指标优良：密度≤1.10g/cm³、漏斗粘度25～45s、API失水量（0.7MPa压差）10～22ml/30min；浆液流型属于宾汉流体或幂律流体，600转旋转粘度读数为20～40格、动切力2～5Pa、动塑比0.48左右，具有良好剪切稀释性和固壁作用，对松散砂及风化破碎岩层具有较强的胶结护壁作用，有助于提高此类复杂地层孔壁的稳定性，起到了“下金属套管”的护壁作用。因此可广泛用于各类地质勘探工程、大口径桩基工程、地下连续墙工程、水文水井工程等钻孔（或钻挖槽）工程施工领域。

（3）本发明的交联型低固相泥浆无毒环保，经济成本低，便于施工现场配制和使用，并且可回收重复使用。

（4）本发明的交联型低固相泥浆可与其他类型的泥浆交替使用，当钻进松散、破碎、风化严重的岩层时，下钻具至孔底，通过钻杆将配制好的交联型低固相泥浆泵入孔内循环钻进，随着孔深增加，以及岩粉絮凝沉淀的消耗，需不断补充所配浆液；当钻进稳定地层，静止10min左右，可改用正常泥浆或清水钻进，也可继续使用交联型低固相泥浆钻进，而上部经聚合物胶结过的复杂地层稳定性不会降低。

具体实施方式

（实施例1）

本实施例的岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆的组分及含量为（单位kg/m³）：膨润土20、纯碱3.6、水解聚丙烯酰胺1.2、硫酸铝0.2、水975。

本实施例的泥浆中的交联剂硫酸铝还可以由其他铝酸盐如氯化铝替代。

本实施例的岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆的制备方法包括以下步骤：

①将2.4kg纯碱倒入装有100kg水的容器中，待纯碱完全溶解后，向容器中加入20kg膨润土，搅拌使膨润土分散均匀后，浸泡12h～24h（本实施例中为16h），完成膨润土的预浸泡碱化处理后待用。

其中膨润土选用产地为辽宁黑山或吉林九台的膨润土。感官性状为白色或粉红色粉末状，水分含量不超过12%，粒度为100目～120目；膨润土的主要矿物成分为蒙脱石，其含量为85wt%至90wt%，膨润土的主要化学成分为氧化硅（辽宁黑山为67.6wt%，吉林九台为62.7wt%）和氧化铝（辽宁黑山为14.0wt%，吉林九台为14.3wt%），此外还含有K、Na、Ca、Mg、Fe、Ti等元素的氧化物。

②将1.2kg白色水解聚丙烯酰胺干粉与1.2kg纯碱干粉混匀后，均匀加入装有100kg水的带搅拌的容器中，控制搅拌器的转速为120～200r/min（本实施例中为150 r/min），边缓慢加入边进行搅拌，确保无粉末的固结；加毕保持转速继续搅拌15min～30min （本实施例中为20min）后，静置5～8小时待用。

优选的，若要加快水解聚丙烯酰胺在水中的溶解速度，可将水解聚丙烯酰胺干粉和纯碱干粉加入40～60℃的热水中。所述水解聚丙烯酰胺的分子量为500万～1200万，水解度为25%～35%。

③将0.2kg硫酸铝加入10kg水中，完全溶解后的得到的硫酸铝溶液待用。

④将步骤①碱化后的膨润土浆倒入装有余量即765kg水的容器中，搅拌均匀后，向容器中加入步骤②配置的水解聚丙烯酰胺和纯碱混合溶液，再次搅拌均匀后，加入步骤③准备的硫酸铝溶液，搅拌均匀后即得到岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆。

本实施例的泥浆属于宾汉流体，具体性能参数详见下表1。

（实施例2）

本实施例的岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆的组分及含量为（单位kg/m³）：膨润土20、纯碱2.4、水解聚丙烯酰胺1.0、氯化铝0.17、水976.43。其中的交联剂氯化铝还可以由其他铝酸盐如硫酸铝替代。

本实施例的泥浆的制备方法其余与实施例1相同，不同之处在于：

步骤①中将1.6kg纯碱溶于100kg水中，膨润土的浸泡时间为12h。

步骤②中将1.0kg水解聚丙烯酰胺干粉和0.8kg纯碱干粉混匀后加入水中溶解。

步骤③中氯化铝的加入量为0.17kg。

本实施例制备的泥浆属于幂律流体，具体的性能参数详见下表1。

（实施例3）

本实施例的岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆的组分及含量为（单位kg/m³）：膨润土30、纯碱4.5、水解聚丙烯酰胺1.4、硫酸铝0.25、水963.85。

步骤①中将3.0kg纯碱溶于100kg水中，膨润土的浸泡时间为18h。

步骤②中将1.4kg水解聚丙烯酰胺干粉和1.5kg纯碱干粉混匀后加入水中溶解。

步骤③中硫酸铝的加入量为0.25kg。

本实施例制备的泥浆属于宾汉流体，具体的性能参数详见下表1。

表1

注：砂样侵泡实验是指将干砂团放入钻井液中浸泡1min后再放入水中浸泡48h以上。

以上各实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims

1.一种岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆，其特征在于包括下述重量份的组分：膨润土15～40份、纯碱2～5份、增粘聚渣剂0.8～1.6份、交联剂0.1～0.4份、水950～985份。

2.根据权利要求1所述的岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆，其特征在于：所述增粘聚渣剂为水解聚丙烯酰胺，水解聚丙烯酰胺的分子量为500万～1200万，水解度为25%～35%。

3.根据权利要求1所述的岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆，其特征在于：所述交联剂为硫酸铝或氯化铝。

4.一种如权利要求1所述的岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

①将纯碱总量的60%～70%完全溶解于水中，然后将膨润土加入纯碱溶液中，搅拌使膨润土分散均匀得到浆液后，静置浸泡12h～24h完成膨润土的预浸泡碱化处理后待用，其中所述浆液中膨润土的浓度为15wt%～40wt%；

②将增粘聚渣剂与余量的纯碱干粉混匀后，边搅拌边加入水中，加毕搅拌15～30min后，静置5～8小时预溶解后待用，所得溶液中增粘聚渣剂的浓度为0.5 wt%～5wt%；

③将交联剂溶解于水中待用，所述交联剂的浓度为1wt%～10wt%；

5.根据权利要求4所述的岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆的制备方法，其特征在于：步骤②中的增粘聚渣剂为水解聚丙烯酰胺，水解聚丙烯酰胺的分子量为500万～1200万，水解度为25%～35%。

6.根据权利要求4所述的岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆的制备方法，其特征在于：步骤③中的交联剂为硫酸铝或氯化铝。

7.根据权利要求4所述的岩土钻孔或钻挖槽工程护壁用交联型低固相泥浆的制备方法，其特征在于：步骤②中将增粘聚渣剂与余量的纯碱干粉混匀后，边搅拌边加入40℃～60℃的热水中。